JP4040663B2 - Semiconductor laser and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関し、より詳しくは、光ファイバ通信に用いられる埋込構造を有する半導体レーザ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor laser having a buried structure used for optical fiber communication and a manufacturing method thereof.
光ファイバ通信の適用範囲が、通信網の幹線系統から加入者系統へと広がっていくにつれ、光源となる半導体レーザには広い温度環境での動作が求められており、特に、動作電流の増大する高温で良好なレーザ特性を実現する必要がある。同時に、所要量も増大してきている。 As the application range of optical fiber communication expands from the trunk system of the communication network to the subscriber system, the semiconductor laser that is the light source is required to operate in a wide temperature environment, and in particular, the operating current increases. It is necessary to achieve good laser characteristics at high temperatures. At the same time, requirements are increasing.
そこで、高温まで動作可能なレーザを均一性よく実現できる構造及び製造方法が必要となっている。 Therefore, there is a need for a structure and manufacturing method that can realize a laser capable of operating up to high temperatures with good uniformity.
通常、光通信に用いられている半導体レーザでは埋め込み構造が用いられている。埋め込み構造は電流を狭窄するものであって、pn接合を用いるものと高抵抗層を用いるものとがあるが高温動作にはpn接合を用いた構造が適している。 Normally, a buried structure is used in a semiconductor laser used for optical communication. The buried structure constricts current, and there are a structure using a pn junction and a structure using a high resistance layer, but a structure using a pn junction is suitable for high-temperature operation.
pn接合の埋込構造を有する半導体レーザは例えば図1に示すような構造を有している。 A semiconductor laser having a pn junction buried structure has a structure as shown in FIG.
図1において、n型(n-)InP基板1の上には、InGaAsPよりなる活性層2とp型(p-)InPよりなる第1のp型クラッド層3が形成され、第1のp型クラッド層3からn-InP基板1の上部まではメサ状に形成されてメサ部となっている。そのメサ部を構成する活性層2は幅1〜1.5μm程度のストライプ形状となり、また、メサ部の両側は埋込領域となっている。
In FIG. 1, an
埋込領域には、p-InPよりなるp型埋込層4とn-InPよりなるn型電流ブロック層5が埋め込まれ、さらに電流ブロック層5と第1のp型クラッド層3の上にはp-InPよりなる第2のp型クラッド層6、p-InGaAsよりなるp型コンタクト層7が順に形成されている。
A p-type buried
さらに、p型コンタクト層7上にはp側電極8が形成され、InP基板1の下にはn側電極9が形成されている。
Further, a p-
そのような埋込構造の半導体レーザは、n-InP基板1上に活性層2と第1のp型クラッド層3を成長した後に、マスクを用いて第1のp型クラッド層3からn-InP基板1の上部までを略ストライプ状にエッチングした後に、その両側にp型埋込層4とn型電流ブロック層5よりなる埋込構造を形成している。
The semiconductor laser having such a buried structure is obtained by growing an
尚、最近の光通信用レーザにおいては活性層に量子井戸または歪量子井戸構造を採用している場合が多いが、以下に示す活性層とは、井戸層、障壁層からなる量子井戸構造及びそれを挟む上下の光ガイド層までを含んだものを指すものとする。 In recent optical communication lasers, a quantum well or a strained quantum well structure is often used for the active layer. The active layer shown below includes a quantum well structure including a well layer and a barrier layer, and a quantum well structure. Including the upper and lower light guide layers sandwiching.
以上説明したような構造を有する具体的な報告例としては近藤他,1995年秋季応用物理学会27p−ZA−5、知野他,1997年春季応用物理学会30p−NG−11がある。 Specific examples of reports having the structure described above include Kondo et al., 1995 Autumn Applied Physics Society 27p-ZA-5, Chino et al., 1997 Spring Applied Physics Society 30p-NG-11.
ところで、埋込型半導体レーザにおいて、高温で良好な特性を得るためには活性層を通らないリーク電流を低減することが重要である。 By the way, in a buried semiconductor laser, it is important to reduce a leakage current that does not pass through an active layer in order to obtain good characteristics at a high temperature.
図1に例示したpn埋め込み構造のレーザでは、活性層2の両脇をp型埋込層4で埋め込む構造となっておりこの層が活性層2直上のp型クラッド層3,6とつながっている。
In the pn buried structure laser illustrated in FIG. 1, both sides of the
そのため、高温動作時には図1の矢印に示す経路を通ってp型クラッド層3,6からp型埋込層4を通してn型InP基板1へ流れるリーク電流が発生する。この漏れ電流量は活性層2とn型ブロック層5との間の間隔に依存するので、漏れ電流を小さくするためにはn型ブロック層5と活性層との距離を例えば0.2μm程度に狭くする必要がある。しかも、均一なレーザ特性を得るためにはその距離を制御性よく作製することが必要となる。
Therefore, during high temperature operation, a leak current is generated that flows from the p-
しかしながら、従来の構造ではn型ブロック層5の一番内側の点はメサ頂面の縁に設定されるものの、活性層2に近いn型ブロック層5底面の角度θが水平方向に対して30度前後の緩い角度で広がっているために、n型ブロック層5と活性層2との距離が下にいくほど急速に広がって、リーク電流が流れる領域の幅が広めになってしまっている。
However, in the conventional structure, although the innermost point of the n-
そのn型ブロック層5の底面の角度は、その下のp型埋込層4の上面の角度に依存するものである。即ち、その30度前後の緩い角度の面は、p型埋込層4の結晶成長時においては成長当初に速度の遅い(111)面が現われ、ついで他の面方位との成長速度の関係で(111)面の上に成長が開始することで現われる面であって、その面の位置及び角度は、メサ部の高さ、メサ部の下部の形状、成長条件の変化による面方位の相互間の成長速度の関係の変化、等に非常に敏感である。
The angle of the bottom surface of the n-
そのため制御性が良いと言われているMOVPE法を用いてp型埋込層4を形成するといえども、n型ブロック層5の活性層2に対する位置を再現性良く均一に製作することは困難であった。
Therefore, even if the p-type buried
本発明の目的は、基板上に作製したレーザにおいて活性層と電流ブロック層との距離を狭くかつ制御性よく実現できる半導体レーザとその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor laser that can realize a narrow distance between an active layer and a current blocking layer with good controllability in a laser manufactured on a substrate, and a manufacturing method thereof.
上記した課題は、図9に例示するように、第1導電型不純物を含む化合物半導体よりなりメサ形状の突起を有する第1クラッド層21,22と、前記突起の上にストライプ状に形成され、かつ前記第1クラッド層21,22の上面に対して70度以上且つ90度以下の角度で傾斜する側面を有する活性層23と、前記突起の両側に形成された前記第1導電型不純物と異なる第2導電型不純物を含む埋込層27と、前記活性層23の側面を上側に延長させた仮想面に一端が接し、さらに該一端から下方に向けて前記第1クラッド層21,22の前記上面に対してほぼ55度の角度で傾斜する(111)面である第1の面と、該第1の面から下側に前記活性層23の下面とほぼ同じ高さまで延び且つ前記活性層23の側方において前記活性層23の側面の角度よりも大きく前記第1クラッド層21,22の前記上面に対して垂直の角度よりも小さく傾斜する第2の面とを有して前記埋込層27の上に接して形成された第1導電型不純物を含有する電流ブロック層28aと、前記電流ブロック層28aと前記活性層23の上に形成された第2導電型不純物を含む第2クラッド層24,29とを有し、前記埋込層27は、前記一端から下側に延びる前記仮想面に相当する前記第2クラッド層24,29の面、前記活性層23の側面、前記第1クラッド層21,22の側面の上に接して形成され、前記電流ブロック層28aの前記一端から上方には、前記活性層23の側方に広がって前記第1クラッド層21,22の前記上面に対してほぼ55度の角度で傾斜する(111)面を有していることを特徴とする半導体レーザによって解決する。
As illustrated in FIG. 9, the above-described problem is formed in a stripe shape on the first
上記した半導体レーザにおいて、さらに、前記第2の面の下端からは前記突起から離れる方向に延びる第3の面を有することを特徴とする。 The semiconductor laser described above further includes a third surface extending in a direction away from the protrusion from a lower end of the second surface .
上記した半導体レーザにおいて、前記活性層23と前記電流ブロック層28の最短距離は0.1〜0.3μmの範囲内にあることを特徴とする。または、前記電流ブロック層28の前記一端から上方には、前記活性層23の側方に広がって前記基板の面に対してほぼ55度の角度で傾斜する面を有することを特徴とする。
In the semiconductor laser described above, the shortest distance between the
上記した課題は、図8、図9に例示するように、第1導電型不純物を含む第1クラッド層21,22の上に活性層23と第2導電型不純物を含む第2クラッド層の下側層24を形成する工程と、前記第2クラッド層の前記下側層24の上にストライプ形状のマスク25を形成する工程と、前記マスク25に覆われない部分の前記第2クラッド層の下側層24から前記第1クラッド層21,22の上部までをドライエッチングして平面ストライプ状のメサ部26を形成する工程と、前記メサ部26の頂面の縁から下に広がって延びる(111)面である第1の面と、該第1の面から下側に前記活性層23の下面とほぼ同じ高さまで延び且つ前記活性層23の両側方において前記活性層23の側面の角度と前記第1クラッド層の上面に対して垂直な角度の間の角度に傾斜した第2の面を有し、かつ第2導電型不純物を含む埋込層27を前記メサ部26の両側面に接して形成する工程と、前記埋込層27の前記第1の面及び前記第2の面の上に接し且つ前記メサ部26の頂面の縁から上に広がって延びる(111)面を有する第1導電型不純物を含む電流ブロック層28を形成する工程と、前記マスク25を除去した後に、前記第2クラッド層の前記下側層24と前記電流ブロック層28aの上に第2導電型不純物を含む前記第2クラッド層の上側層29aを形成する工程とを有することを特徴とする半導体レーザの製造方法によって解決する。
As illustrated in FIGS. 8 and 9, the above-described problem is that the
また、上記した半導体レーザの製造方法において、前記埋込層27は、前記活性層23の両側面上で所定膜厚が形成された後に、さらに該両側面上での成長速度を実質的に零として前記活性層よりも下側でのみ成長が局所的に進む成長過程を経て形成されることを特徴とする。この場合、前記埋込層の成長過程では塩化メチルを含むガスを用い、該塩化メチルガスの流量を増やすことによって前記活性層の前記両側面上での成長速度を実質的に零に変化させて前記活性層よりも下側でのみ成長を局所的に進ませるといった方法がある。
In the semiconductor laser manufacturing method described above, the buried
上記した半導体レーザの製造方法において、前記埋込層27は、原料ガスとともに塩素含有ガスを用いながら成長されることを特徴とする。この場合の塩素含有ガスとしては、塩化メチルガスなどがある。
In the semiconductor laser manufacturing method described above, the buried
なお、上記した図番及び符号は、発明の理解を容易にするために引用したものであってこれに限定されるものではない。 In addition, the above-mentioned figure number and code | symbol are quoted in order to make an understanding of invention easy, and are not limited to this.
次に、上記発明の作用について説明する。 Next, the operation of the above invention will be described.
本発明と別な発明によれば、メサ状の第1クラッド層の上に形成された活性層の側面の角度を第1クラッド層の上面に対して70〜90度の範囲内に設定するとともに、その側面の上方への延長上に電流ブロック層の一端を接触させ、さらに、その一端から活性層の下側に延びる電流ブロック層の面の角度を実質的に55度傾けるようにしている。 According to another aspect of the present invention, the angle of the side surface of the active layer formed on the mesa-shaped first cladding layer is set within a range of 70 to 90 degrees with respect to the upper surface of the first cladding layer. One end of the current blocking layer is brought into contact with the upward extension of the side surface, and the angle of the surface of the current blocking layer extending from the one end to the lower side of the active layer is substantially inclined by 55 degrees.
これにより、活性層の両側方で電流ブロック層の下側に存在する埋込層が狭くなるので、活性層の上側に存在する第2クラッド層からその埋込層を通るリーク電流の通過領域が狭くなっててリーク電流が低減する。この結果、高温時、高出力時における電流−光出力特性を均一にすることができる。 This narrows the buried layer under the current blocking layer on both sides of the active layer, so that a leakage current passing region from the second cladding layer over the active layer through the buried layer can be obtained. It becomes narrow and the leakage current is reduced. As a result, the current-light output characteristics at high temperatures and high outputs can be made uniform.
このような半導体レーザの製造方法としては、第1クラッド層の上に活性層と第2クラッド層の下層部とを順に形成した後に、第2クラッド層の下層部から第1クラッド層の上層部までをドライエッチングを用いてパターニングしてメサ部を形成した後に、活性層の側方から下側まで(111)面が存在するように埋込層の成長を制御し、その埋込層の上に電流ブロック層を形成することによって達成される。 In such a semiconductor laser manufacturing method, an active layer and a lower layer portion of a second cladding layer are sequentially formed on the first cladding layer, and then the upper layer portion of the first cladding layer is formed from the lower layer portion of the second cladding layer. After forming the mesa portion by patterning using dry etching, the growth of the buried layer is controlled so that the (111) plane exists from the side to the lower side of the active layer. This is achieved by forming a current blocking layer.
この場合、埋込層の(111)面は、基板面に対してほぼ55度の傾斜を有する。また、埋込層のうち(111)面の下にメサ部の側面とほぼ平行になる面を残しておくことによってその(111)面上に別な面の層が形成されることを未然に防止できる。 In this case, the (111) plane of the buried layer has an inclination of approximately 55 degrees with respect to the substrate surface. Also, by leaving a surface of the buried layer below the (111) plane that is substantially parallel to the side surface of the mesa, it is possible to form a layer of another surface on the (111) plane. Can be prevented.
また、本発明によれば、メサ状の第1クラッド層の上に形成された活性層の側面の角度を第1クラッド層の上面に対して70〜90度の範囲内に設定するとともに、その側面から上方への延長上に電流ブロック層の一端を接触させ、さらに、その一端から下側に延びる電流ブロック層の面の角度を実質的に55度傾け且つ活性層の両側では活性層の側面の角度よりも大きく且つ90度よりも小さくなるように傾けている。 According to the invention, the angle of the side surface of the active layer formed on the mesa-shaped first cladding layer is set within a range of 70 to 90 degrees with respect to the upper surface of the first cladding layer, and One end of the current blocking layer is brought into contact with an extension extending upward from the side surface, and the angle of the surface of the current blocking layer extending downward from the one end is substantially inclined by 55 degrees, and the side surface of the active layer is formed on both sides of the active layer. It is inclined so as to be larger than this angle and smaller than 90 degrees.
これにより、活性層と電流ブロック層との距離が活性層の両側面全体に沿って最短となるので、それらの間にある埋込層の領域が狭くなって、その領域を通るリーク電流がさらに低減する。 As a result, the distance between the active layer and the current blocking layer is the shortest along both side surfaces of the active layer, so that the region of the buried layer between them becomes narrower, and the leakage current passing through the region further increases. To reduce.
このような半導体レーザの製造方法としては、第1クラッド層の上に活性層と第2クラッド層の下層部とを順に形成した後に、第2クラッド層の下層部から第1クラッド層の上層部までをドライエッチングを用いてパターニングしてメサ部を形成した後に、活性層の上方まで(111)面が存在し、その下に活性層とほぼ平行な面が表れるような条件で埋込層の成長を制御することによって達成される。 In such a semiconductor laser manufacturing method, an active layer and a lower layer portion of a second cladding layer are sequentially formed on the first cladding layer, and then the upper layer portion of the first cladding layer is formed from the lower layer portion of the second cladding layer. After patterning using dry etching to form the mesa portion, the (111) plane exists up to the upper side of the active layer, and the buried layer is formed under such a condition that a plane substantially parallel to the active layer appears below it. This is achieved by controlling growth.
この場合、活性層の側面に成長する埋込層の膜厚を薄くする一方で、活性層と電流ブロック層の下側にある埋込層の膜厚を増やすことにより、寄生サイリスタをターンオンし難くする必要がある。このためには、埋込層の成長の際に塩素含有ガスを用いて、活性層の側面の上に所望の膜厚を形成した後にその塩素含有ガスの導入量を増やす方法を採用する方法があり、これによって基板面の上に成長する膜厚を局所的に増加することができる。 In this case, it is difficult to turn on the parasitic thyristor by reducing the thickness of the buried layer grown on the side surface of the active layer and increasing the thickness of the buried layer below the active layer and the current blocking layer. There is a need to. For this purpose, there is a method in which a chlorine-containing gas is used during the growth of the buried layer, and a method of increasing the amount of introduction of the chlorine-containing gas after forming a desired film thickness on the side surface of the active layer. In this way, the film thickness grown on the substrate surface can be locally increased.
以上のように本発明を用いることで、高温時の特性ばらつきに影響するリーク電流が流れる領域の埋込層のサイズを再現性よく作製することが可能となり、高温動作光通信用半導体レーザの高均一特性化に寄与するところが大きい。 As described above, by using the present invention, it becomes possible to fabricate the buried layer in the region where the leakage current that affects the characteristic variation at high temperature flows with good reproducibility. A great contribution to uniform characterization.
以上述べたように本発明と別な発明によれば、メサ状の第1クラッド層の上に形成された活性層の側面の角度を第1クラッド層の上面に対して70〜90度の範囲内に設定するとともに、その側面の上方への延長上に電流ブロック層の一端を接触させ、さらに、その一端から活性層の下側に延びる電流ブロック層の面の角度を実質的に55度傾けるようにしている。したがって、活性層の両側に存在する埋込層が狭くなるので、活性層の上側に存在する第2クラッド層から埋込層に流れるリーク電流の通過領域が狭くなっててリーク電流を低減することができ、高温時、高出力時における電流−光出力特性を均一にすることができる。 As described above, according to another embodiment of the present invention, the angle of the side surface of the active layer formed on the mesa-shaped first cladding layer is in the range of 70 to 90 degrees with respect to the upper surface of the first cladding layer. In addition, one end of the current blocking layer is brought into contact with the upper extension of the side surface, and the angle of the surface of the current blocking layer extending from the one end to the lower side of the active layer is substantially inclined by 55 degrees. I am doing so. Therefore, since the buried layers existing on both sides of the active layer are narrowed, the leakage current flowing from the second cladding layer above the active layer to the buried layer is narrowed to reduce the leak current. The current-light output characteristics at high temperature and high output can be made uniform.
また、本発明によれば、メサ状の第1クラッド層の上に形成された活性層の側面の角度を第1クラッド層の上面に対して70〜90度の範囲内に設定するとともに、その側面の上方への延長上に電流ブロック層の一端を接触させ、さらに、その一端から下側に延びる電流ブロック層の面の角度を実質的に55度傾け、さらに活性層の両側では活性層の側面の角度よりも大きくて90度よりも小さくしている。したがって、活性層と電流ブロック層との距離が活性層の両側面全体に沿って最短となるので、それらの間にある埋込層の領域が狭くなって、その領域を通るリーク電流をさらに低減することができる。 According to the invention, the angle of the side surface of the active layer formed on the mesa-shaped first cladding layer is set within a range of 70 to 90 degrees with respect to the upper surface of the first cladding layer, and One end of the current blocking layer is brought into contact with the upward extension of the side surface, and the angle of the surface of the current blocking layer extending downward from the one end is substantially inclined by 55 degrees, and the active layer is formed on both sides of the active layer. It is larger than the angle of the side surface and smaller than 90 degrees. Therefore, since the distance between the active layer and the current blocking layer is the shortest along both side surfaces of the active layer, the buried layer region between them is narrowed, and the leakage current passing through the region is further reduced. can do.
そこで、以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Accordingly, embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図2、図3は、本発明の実施形態に係る半導体レーザの埋込層を形成するまでの工程を示している。 2 and 3 show the steps until the buried layer of the semiconductor laser according to the embodiment of the present invention is formed.
まず、図2(a) に示すように、MOVPE法によって、n-InP基板21の(100)面上に 膜厚300〜1000nmのn型バッファ層(n型クラッド層)22、膜厚200〜300nmのアンドープInGaAsPよりなるMQW(multi-quantum well)活性層23、膜厚250〜700nmのp-InPよりなる第1のp型クラッド層24を順に形成する。
First, as shown in FIG. 2 (a), an n-type buffer layer (n-type cladding layer) 22 having a film thickness of 300 to 1000 nm is formed on the (100) surface of the n-
InPは、トリメチルインジウム(TMIn)とホスフィン(PH3)を原料ガスとして成長され、InGaAsPはTMIn、PH3、アルシン(AsH3)、トリエチルガリウム(TEGa)を原料ガスとして成長される。また、p型ドーパントとしてジメチル亜鉛(DMZn)を使用し、n型ドーパントとしてシラン(SiH4)を用いる。 InP is grown using trimethylindium (TMIn) and phosphine (PH 3 ) as source gases, and InGaAsP is grown using TMIn, PH 3 , arsine (AsH 3 ), and triethylgallium (TEGa) as source gases. Further, dimethyl zinc (DMZn) is used as the p-type dopant, and silane (SiH 4 ) is used as the n-type dopant.
MQW活性層23は、例えば、圧縮率1%の6nm厚さのInGaAsPよりなる5周期の井戸層と、InPと格子整合する膜厚10nmのInGaAsPからなって各井戸層の間に形成される障壁層と、井戸層及び障壁層のさらに上と下に形成される膜厚100nmのInGaAsPよりなる光ガイド層を有している。障壁層と光ガイド層のそれぞれは、ともにバンドギャップに対応する波長が1.1μmとなる組成のInGaAsPから構成される。これにより、波長帯が1.3μmのレーザが構成される。
The MQW
なお、MQW活性層23の層構成は、これに限るものではなく、1.55μm帯、1.48μm帯、その他の波長帯のInGaAsP系から構成していもよい。
The layer structure of the MQW
また、n-InPバッファ層22の不純物濃度は約5×1017atoms/cm3、p-InPクラッド層24の不純物濃度は約5×1017atoms/cm3である。
The n-
なお、活性層23の下のn-InPよりなるn型バッファ層22とn-InP基板21はn型クラッド層として機能する。
Note that the n-
以上のような1回目の膜の成長を終えた後に、第1のp型クラッド層24上に誘電体膜、例えばSiO2膜をCVD法によって約0.3μmの厚さに形成する。そしてその誘電体膜をフォトリソグラフィー法によって<011>方向に細長く延びる幅1.5μm程度のストライプ形状にパターニングしてこれをマスク25として使用する。
After finishing the first film growth as described above, a dielectric film, for example, a SiO 2 film is formed on the first p-
次に、図2(b)に示すように、マスク25に覆われない部分のp-InPクラッド層24からn-InP基板21の上部までを2〜3μm程度の深さまでエッチングすることによって、マスク25の下に断面がメサ状であり平面がストライプ状の突起であるメサ部26を形成する。そのエッチングは、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法によって行なわれ、エタン系のガス、例えばC2H6とO2とH2の混合ガスを使用する。
Next, as shown in FIG. 2 (b), the portion from the p-
この後に、ドライエッチングによってダメージを受けた各化合物半導体層の表面を硫酸などの酸処理により厚さ0.1μm程度除去した後に、メサ部26の両側の凹部にp-InP埋込層27を成長する。
Thereafter, the surface of each compound semiconductor layer damaged by dry etching is removed by a thickness of about 0.1 μm by an acid treatment such as sulfuric acid, and then a p-InP buried
このp-InP埋込層27は、以下のような過程を経て成長する。
The p-InP buried
まず、マスク25はメサ部26の上面から庇状に張り出していない状態となっており、メサ部26の側面は水平方向(即ち基板面)に対して70度又はそれ以上急峻に傾斜した状態となっている。
First, the
そのような状態において、2回目のMOVPE法によりp-InP埋込層27を形成する。そのp-InP埋込層27を成長する際に、原料ガスとしてTMInとPH3をMOVPE装置の反応室内に導入するともに、反応室内に原料ガスとともに塩化メチル(CH3Cl)を導入することにより、マスク25上でのInPの成長を防ぐことにより、メサ部の頂面の縁から(111)面が成長することになる。
In such a state, the p-InP buried
即ち、図3(a)に示すように、p-InP埋込層27については、メサ部の頂面の縁から下方に(111)面が現れ、メサ部26の側面上ではその側面にほぼ平行な面が現れ、メサ部26の底部近傍では基板面に対して30度程度の緩い角度の面が現れ、さらにメサ部26の両側の基板面に(100)面が表面に現れる。
That is, as shown in FIG. 3A, with respect to the p-InP buried
さらに、p-InP埋込層27の成長を進めていくと、図3(b)に示すように、その(111)面は斜め下方に延びてさらに広がる一方、メサ部26の側面にほぼ平行なp-InPの面はその側面に沿って短くなっていく。また、メサ部26の側面にほぼ平行なp-InPの面は、成長が進むにつれて基板面に対して少しずつ垂直に近づいていく。
Further, as the growth of the p-InP buried
p-InP埋込層27の成長がさらに進むと、図3(c)に示すように埋込層27のうちメサ部26の側面にほぼ平行なp-InP面は消えてゆく。
When the growth of the p-InP buried
さらに、p-InP埋込層27の成長が進むと、図4(a),(b)に示すように、埋込層27のうちメサ部26の底から成長する30度程度の緩い角度の面が(111)面上にも成長していくので、その成長とともに(111)面は短くなっていく。この形状の現われ方は各面方位での成長速度の違いによっている。
Further, when the growth of the p-InP buried
なお、上記したp-InP埋込層27の成長過程において、面の角度が変化する領域(コーナー部分)では、上記しない面や遷移領域が発生しているが、図では省略されている。
In the growth process of the p-InP buried
以上のようなp-InP埋込層27の成長過程による形状の違いを利用することによって、以下に説明するような構造の半導体レーザの形成が可能になる。なお、以下の半導体レーザの3つの例では、メサ部26形成までの過程は省略して説明している。
By utilizing the difference in shape due to the growth process of the p-InP buried
第1例
以下に説明する半導体レーザは、埋込層27の表面のうちメサ部26の側面に平行な面が消滅した状態になった時点で埋込層27の成長を停止し、その後に電流ブロック層を形成する例を示している。
First Example The semiconductor laser described below stops the growth of the buried
即ち、図5(a)に示すように、成長を終えた埋込層27のうちメサ部26の頂面の縁から底部に向かう方向で、(111)面、30度傾斜面、(100)面が順に露出した状態となっている。
That is, as shown in FIG. 5A, the (111) plane, the 30-degree inclined plane, and (100) in the direction from the edge of the top surface of the
この場合、活性層23の厚さは約0.3μm、第1のp型クラッド層24の厚さは0.4μm、メサ部26の高さは約2μmで、またメサ部26のうちの活性層23の側面の角度は約83度である。また、p-InP埋込層27のうち平坦部での膜厚は0.7μmであり、また、p-Inp埋込層27のうち(111)面の角度は水平線に対しても約55度となっている。
In this case, the thickness of the
そのような状態から、図5(b)に示すように、メサ部26の両側のp-Inp埋込層27の上にn-InP電流ブロック層28を成長すると、n-InP電流ブロック層28の底面は、p-InP埋込層27の上面と同じ形状となる。また、メサ部26の両側面の延長上において活性層23から0.4μm上方位置にn-InP電流ブロック層28の一端が位置することになる。
From this state, as shown in FIG. 5B, when an n-InP
その場合、活性層24の側面の下端でのp-InP埋込層27の膜厚は約0.4μmとなり、活性層24の上端からn-InP電流ブロック層28までの最短距離は約0.19μmとなる。ただし、最短距離は0.1〜0.3μmの範囲内になるように第1のp型クラッド層24の厚さやメサ部26の側面の傾きを調整してもよい。
In this case, the thickness of the p-InP buried
n-InP電流ブロック層28の平坦領域における膜厚を約0.9μm程度とすると、n-InP電流ブロック層28においては、第1のp型クラッド層24に最も近い一端を境にしてその底面は前述したようにp-InP埋込層27との境界面である(111)面が活性層24よりも下に延在し、その上面はその一端から遠ざかるにつれて、まず(111)面である上り斜面が現れ、続いて平坦面と下り斜面とが順に現れる。
When the film thickness in the flat region of the n-InP
そのようなn-InP電流ブロック層28の成長を終え、マスク25を除去した後に、3回目の結晶成長工程に移る。
After completing the growth of the n-InP
3回目のMOVPE結晶成長では、図5(c) に示すように、n-電流ブロック層28及び第1のp-InPクラッド層24の上に膜厚約1.5μmのp-InPよりなる第2のp型クラッド層29を形成し、さらに、第2のp型クラッド層29の上に膜厚0.2μmのp-InGaAsPよりなる中間層30と膜厚0.5μmのp+型InGaAsよりなるコンタクト層31を形成する。
In the third MOVPE crystal growth, as shown in FIG. 5 (c), a first p-InP film having a thickness of about 1.5 μm is formed on the n-
次に、図6に示すように、コンタクト層31の上にTi/Pt/Auよりなるp側電極32を形成した後に、n-InP基板21の下面にAuGe/Auよりなるn側電極33を形成する。
Next, as shown in FIG. 6, after forming a p-
なお、以上述べた膜厚は、特に説明しない限り平坦な領域での値である。 The film thickness described above is a value in a flat region unless otherwise specified.
これにより半導体レーザの基本的な構造が完了する。 This completes the basic structure of the semiconductor laser.
以上のような半導体レーザでは、n-InP電流ブロック層28のメサ部26に近い面が水平面に対して55度の角度になっているので、n-InP電流ブロック層28が活性層に0.2μm以下の距離で近づいている。
In the semiconductor laser as described above, since the surface of the n-InP
したがって、第1及び第2のp-InPクラッド層24,29とp-InP埋込層27が繋がっている領域が従来に比べて狭くなり、その領域を通る漏れ電流が小さくなる。
Therefore, the region where the first and second p-InP cladding layers 24 and 29 and the p-InP buried
また、p-InP埋込層27のうち活性層23の近傍に現れる(111)面を活性層23よりも下まで延びるように、埋込層27の成長条件などを設定したので、メサ部26の高さが製造上の誤差によって少し変わっても活性層23の両側方に必ず(111)面が位置することになる。
Further, since the growth conditions and the like of the buried
このため、n-InP電流ブロック層28と活性層23の距離は、活性層23からメサ部26(即ち、第1のp型クラッド層24)の頂面までの距離でほぼ決定され、活性層23とn-InP電流ブロック層28との距離の製造上の誤差は、メサ部26の側面の角度のズレにのみに依存することになる。したがって、漏れ電流が通る領域の最短の幅、即ち活性層23と電流ブロック層28の間隙の最短距離は膜の成長条件やメサ部26の高さの製造上のズレに依存しなくなり、漏れ電流の大きさを安定に低減させることができ、高温時、高出力時における電流−光出力特性を均一にすることができ、かつ再現性を向上することができる。
Therefore, the distance between the n-InP
また、本例では、n-InP電流ブロック層28の上側の(111)面が約55度の角度で傾いてその(111)面の最上部がメサ部26よりも高くなっている。このように、メサ部26の両側にある電流ブロック層28の上部を活性層23に向けて狭くなるようなテーパ形状にすると、活性層23の近傍で電流ブロック層28の膜厚が急激に厚くなることで効果的に注入電流を活性層23上部に集めることができる。
In this example, the upper (111) plane of the n-InP
しかし、その電流ブロック層28の上部を必ずしもメサ部26の両側で盛り上げる必要はない。
However, the upper portion of the
また、上述したように、メサ部26の側面を約83度と非常に垂直に近い形状にしているので、活性層23の下方のn-InP層(n-InPバッファ層22、n-InP基板21)とn-InP電流ブロック層28との距離が下方に向けてどんどん広がっていく構造になっている。このため、p-InPよりなる第1及び第2のp型クラッド層24,29、n-InP電流ブロック層28、p-InP埋込層27、メサ部26下部のn-InP層(n-InPバッファ層22、n-InP基板21)からなるpnpnサイリスタがターンオンしにくくなっている。
Further, as described above, since the side surface of the
したがって、上述したような活性層23と電流ブロック層28との最短距離の制御についてのみ考えると、活性層23よりも下側の部分がウェットエッチングで形成されるようななだらかな裾広がりの形状でもその最短距離の制御が可能である。しかし、サイリスタの電流ブロック特性の観点からは、本例のように、ドライエッチングで形成されるような垂直に近い側面を有する形状のメサ部26が好ましいといえる。
Therefore, considering only the control of the shortest distance between the
第2例
本例では、メサ部26の高さを2.5μm程度と高めに設定することでp-InP埋込層27の成長が終わった段階で、表面にメサとほぼ平行になるp-InP面が埋込層27に残っているような構造としたことに特徴がある。即ち、本例では、図3(c)に示すような段階でp-InP埋込層の成長を停止させている。
Second Example In this example, the height of the
そのようなp-InP埋込層27を形成した後には、第1例と同様に、p-InP埋込層27の上にn-InP電流ブロック層28を形成し、さらにマスク25を除去した後に、n-InP電流ブロック層28及び第1のp-InPクラッド層24の上に第2のp型クラッド層29、p-InGaAsP中間層30とp+型InGaAsよりなるコンタクト層31をMOVPE法によって形成する。その後に、p側電極32とn側電極33を形成することにより、図7に示す構造の半導体レーザが得られる。
After the p-InP buried
以上のように、p-InP埋込層27を成長する前にメサ部26の側面に平行なp-InP面をp-InP埋込層27の一部に残すように予定しておけば、何らかの条件の変化でp-InP埋込層27の成長速度が少し変化しても、埋込層27の(111)面上でp-InPが成長しなくなって、活性層23上のp-InPの膜厚制御、即ち、n型電流ブロック層28と活性層23との距離の制御がより確実に容易になる。
As described above, if the p-InP plane parallel to the side surface of the
第3例
上記した第1例では、図3(c)と図4(a)の間の状態でp-InP埋込層27の成長を停止し、その後に、n-InP電流ブロック層28を形成した。
Third Example In the first example described above, the growth of the p-InP buried
これに対して、本例では図3(b)に近い状態でp-InP埋込層27の成長を停止し、その後に、n-InP電流ブロック層等を成長する工程を採用している。
On the other hand, in this example, a process of stopping the growth of the p-InP buried
即ち、図8(a)に示すように、成長を終えた埋込層27の表面形状は、メサ部26の頂面の縁から斜め下方に(111)面が現れ、さらに活性層23の両側方にはメサ部26の側面とほぼ平行な面が現れ、さらに活性層23の下方には30度傾斜面と(100)面が順に現れる状態となっている。この場合、埋込層27の上側の面のうち活性層23とほぼ平行な面は、前記活性層23の側面の傾きより大きく基板面に対して垂直な角度よりも小さい面となる。
That is, as shown in FIG. 8A, the surface shape of the buried
この場合、メサ部26の高さは約2μmで、また、メサ部26のうちの活性層23の膜厚は約0.3μm、活性層23の下端はメサ部26の底から約1.3μmの位置にある。また、p-InP埋込層27のうち平坦部分での膜厚は0.6μmであり、(111)面の角度は基板面(水平面)に対して約55度となっている。さらに、メサ部26を構成している活性層23の側面上でのp-InP埋込層27の膜厚は約0.2μmとなっている。
In this case, the height of the
そのような形状のp-InP埋込層27を成長する場合には、以下のような条件が必要となる。
When growing the p-InP buried
まず、メサ部26は、ドライエッチングを用いて形成してその側面が基板面に対して垂直に近い形状になることが望ましい。これは、(211)面に近い面での膜成長がはやく進むことから、ウェットエッチングによってメサ部を形成してその側面に図1のような緩やかな傾斜面が表れていると、p-InP埋込層27のうちメサ部の側面にほぼ平行な面が早く消失してしまうからである。
First, it is desirable that the
また、活性層23の側面上では膜厚0.2μm程度でしかp-InP埋込層27を成長させないために、原料ガスだけを使用するという単純な方法では水平面上(基板面上)でのp-InP埋込層27を厚く形成できない。
Further, since the p-InP buried
そして、n-InP基板21上でp-InP埋込層27の平坦部分の膜厚が薄くなってしまうと、メサ部26の両側に形成されるpnpnサイリスタがターンオンし易くなって漏れ電流が増えてしまう。そこで、本構造のp-InP埋込層27は活性層23の側面上で0.2μmの厚さになり、且つn-InP基板21の水平面上で0.6μmの厚さにするための方法を採用する。
If the thickness of the flat portion of the p-InP buried
その実現方法は、第1例と同様に反応室内に原料ガスとしてTMInとPH3に加えてCH3Clを微量(その分圧が14mTorr程度)導入し、メサ部26の側面にも水平面にも約0.2μmのp-InP層をまず成長した後に、引続きCH3Clの導入量を分圧92mTorr程度まで増加させて約0.4μm厚さのp-InPの成長を行う。 In the same way as in the first example, a small amount of CH 3 Cl (partial pressure is about 14 mTorr) is introduced into the reaction chamber in addition to TMIn and PH 3 as in the first example. A p-InP layer having a thickness of about 0.2 μm is first grown, and subsequently, the amount of CH 3 Cl introduced is increased to a partial pressure of about 92 mTorr to grow p-InP having a thickness of about 0.4 μm.
埋込層27を構成するp-InPの成長時にCH3Cl流量を増加させていくと、基板面上での成長速度に対してメサ部26の側面上の成長速度が急激に低下していき、ついにはメサ部26側面上に殆ど成長せずに、基板面上でのp-InP の厚さのみが増加する。このような方法によれば、図8(a)に示すような形状のp-InP埋込層27が得られ、メサ部26側面のみp-InP層が薄くなるようなpnpnサイリスタ構造となる。
When the CH 3 Cl flow rate is increased during the growth of p-InP constituting the buried
この場合、p-InP埋込層27のうちメサ部26側面とほぼ平行な面の下端が活性層23の下面のほぼ延長上に位置する状態にする。
In this case, the lower end of the surface of the p-InP buried
以上のようなp-InP埋込層27を形成した後に、図8(b)に示すように、メサ部26の両側のp-InP埋込層27の上にn-InP電流ブロック層28aを成長する。そのn-InP電流ブロック層28aの底面の形状は、p-InP埋込層の上面と同じになる。この場合、n-InP電流ブロック層28aは、第1例と同じように、その一端が第1のp型クラッド層24の頂面の縁に接するとともに、その一端から斜め上方と斜め下方にそれぞれ(111)面が表れるようにする。
After the p-InP buried
これにより活性層23の側面に相対向する領域でのn-InP電流ブロック層28aが、活性層23側面とほぼ平行で0.2μm離れた構造となる。
As a result, the n-InP
このような構造によって、n-InP電流ブロック層28aから狭い領域のp-InP埋込層27を通して活性層23下方のn-InP層へ流れ込む漏れ電流が低減する。
With such a structure, the leakage current flowing from the n-InP
そのようなn-InP電流ブロック層28aの成長を終え、マスク25を除去した後に、3回目の結晶成長工程に移る。
After completing the growth of the n-InP
3回目の結晶成長では、図8(c)に示すように、n-InP電流ブロック層28a及び第1のp-InPクラッド層24の上に膜厚約1.5μmの第2のp-InPクラッド層29aを形成し、さらに、第2のp-InPクラッド層29aの上に膜厚0.2μmのp-InGaAsPよりなる中間層30と膜厚0.5μmのp+型InGaAsよりなるコンタクト層31をMOVPE法によって形成する。
In the third crystal growth, as shown in FIG. 8C, a second p-InP having a film thickness of about 1.5 μm is formed on the n-InP
次に、図9に示すように、コンタクト層31の上にTi/Pt/Auよりなるp側電極32を形成した後に、n-InP基板21の下面にAuGe/Auよりなるn側電極33を形成する。
Next, as shown in FIG. 9, after forming a p-
これにより半導体レーザの基本的な構造が完了する。 This completes the basic structure of the semiconductor laser.
以上のような半導体レーザでは、活性層23の両側方にあるp-InP埋込層27の表面の一部がメサ部26(活性層23)の側面にほぼ平行になる構造を有している。
The semiconductor laser as described above has a structure in which a part of the surface of the p-InP buried
したがって、この構造では活性層23と電流ブロック層28aとの距離が最も短い部分は、図5のように活性層23の側面内の一点ではなくて、活性層23の側面の全領域で最短となるので、漏れ電流を低減する効果は第1例の半導体レーザよりも大きくなり、高温時、高出力時における電流−光出力特性が均一となる。 但し、第1例と異なり、n-InP電流ブロック層28aと活性層23との距離は自動的に決まらず、p-InP埋込層27の成長膜厚によって制御している。
Therefore, in this structure, the shortest distance between the
しかしながら、p-InP埋込層27の成長前に形成されているある特定面上での成長速度の制御性は、従来例のような面方位による成長速度の違いの結果、成長中に新たに表れる面の位置制御に比べて格段に優れている。
However, the controllability of the growth rate on a specific surface formed before the growth of the p-InP buried
即ち、メサ部26の側面はp-InP埋込層27の形成前に決定され、その側面上での膜成長の制御は、完全に平坦な基板面の上での膜の成長の制御に比べて劣るものの、0.01μm程度の制御性を有していて、従来に比べて膜厚の均一性が顕著に向上している。
That is, the side surface of the
また、本例においては、p-InP埋込層27の成長速度のメサ角依存性は、数度程度の範囲では殆どなく、しかも、メサ角度の多少のゆらぎは埋込層27の成長により吸収される。
In this example, the mesa angle dependency of the growth rate of the p-InP buried
以上の3つの例ではファブリペロー型の半導体レーザで説明を行ったが、本発明は回折格子を有するDFBレーザやDBRレーザ、テーパ導波路を集積した狭放射角レーザ、また半導体光アンプ等同様な埋め込み構造の光素子にも適用できることは当然である。 In the above three examples, a Fabry-Perot type semiconductor laser has been described. However, the present invention is similar to a DFB laser or DBR laser having a diffraction grating, a narrow emission angle laser integrated with a tapered waveguide, or a semiconductor optical amplifier. Of course, the present invention can also be applied to an optical element having a buried structure.
21…n-InP基板、22…n-InPバッファ層、23…活性層、24…p-InP第1のp型クラッド層、25…マスク、26…メサ部、27…埋込層、28,28a…n-InP電流ブロック層、29,29a…p-InP第2のp型クラッド層、31…コンタクト層。 21 ... n-InP substrate, 22 ... n-InP buffer layer, 23 ... active layer, 24 ... p-InP first p-type cladding layer, 25 ... mask, 26 ... mesa portion, 27 ... buried layer, 28, 28a ... n-InP current blocking layer, 29, 29a ... p-InP second p-type cladding layer, 31 ... contact layer.
Claims (8)
前記突起の上にストライプ状に形成され、かつ前記第1クラッド層の上面に対して70度以上且つ90度以下の角度で傾斜する側面を有する活性層と、
前記突起の両側に形成された前記第1導電型不純物と異なる第2導電型不純物を含む埋込層と、
前記活性層の側面を上側に延長させた仮想面に一端が接し、さらに該一端から下方に向けて前記第1クラッド層の前記上面に対してほぼ55度の角度で傾斜する(111)面である第1の面と、該第1の面から下側に前記活性層の下面とほぼ同じ高さまで延び且つ前記活性層の側方において前記活性層の側面の角度よりも大きく前記第1クラッド層の前記上面に対して垂直の角度よりも小さく傾斜する第2の面とを有して前記埋込層の上に接して形成された第1導電型不純物を含有する電流ブロック層と、
前記電流ブロック層と前記活性層の上に形成された第2導電型不純物を含む第2クラッド層とを有し、
前記埋込層は、前記一端から下側に延びる前記仮想面に相当する前記第2クラッド層の面、前記活性層の側面、前記第1クラッド層の側面の上に接して形成され、
前記電流ブロック層の前記一端から上方には、前記活性層の側方に広がって前記第1クラッド層の前記上面に対してほぼ55度の角度で傾斜する(111)面を有していることを特徴とする半導体レーザ。 A first cladding layer made of a compound semiconductor containing a first conductivity type impurity and having mesa-shaped protrusions;
An active layer having a side surface formed in a stripe shape on the protrusion and inclined at an angle of 70 degrees to 90 degrees with respect to the upper surface of the first cladding layer;
A buried layer including a second conductivity type impurity different from the first conductivity type impurity formed on both sides of the protrusion;
The active layer side to contact with one end on the virtual plane obtained by extending the upper side of the further inclined at an angle of approximately 55 degrees relative to said top surface of said first cladding layer downward from the one end (111) plane A first surface, and extending downward from the first surface to substantially the same height as the lower surface of the active layer, and at a side of the active layer, the first cladding layer being larger than an angle of a side surface of the active layer A current blocking layer containing a first conductivity type impurity formed on and in contact with the buried layer and having a second surface inclined at an angle smaller than an angle perpendicular to the upper surface of
Have a second cladding layer comprising a second conductivity type impurity formed on said current blocking layer and the active layer,
The buried layer is formed in contact with a surface of the second cladding layer corresponding to the virtual surface extending downward from the one end, a side surface of the active layer, and a side surface of the first cladding layer,
Above the one end of the current blocking layer, there is a (111) plane that extends to the side of the active layer and is inclined at an angle of approximately 55 degrees with respect to the top surface of the first cladding layer. A semiconductor laser characterized by the above.
前記第2クラッド層の前記下側層の上にストライプ形状のマスクを形成する工程と、
前記マスクに覆われない部分の前記第2クラッド層の下側層から前記第1クラッド層の上部までをドライエッチングして平面ストライプ状のメサ部を形成する工程と、
前記メサ部の頂面の縁から下に広がって延びる(111)面である第1の面と、該第1の面から下側に前記活性層の下面とほぼ同じ高さまで延び且つ前記活性層の両側方において前記活性層の側面の角度と前記第1クラッド層の上面に対して垂直な角度の間の角度に傾斜した第2の面を有し、かつ第2導電型不純物を含む埋込層を前記メサ部の両側面に接して形成する工程と、
前記埋込層の前記第1の面及び前記第2の面の上に接し且つ前記メサ部の頂面の縁から上に広がって延びる(111)面を有する第1導電型不純物を含む電流ブロック層を形成する工程と、
前記マスクを除去した後に、前記第2クラッド層の前記下側層と前記電流ブロック層の上に第2導電型不純物を含む前記第2クラッド層の上側層を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。 Forming an active layer and a lower layer of the second cladding layer containing the second conductivity type impurity on the first cladding layer containing the first conductivity type impurity;
Forming a stripe-shaped mask on the lower layer of the second cladding layer;
A step of dry etching from a lower layer of the second cladding layer to an upper portion of the first cladding layer in a portion not covered with the mask to form a planar stripe-shaped mesa portion;
A first surface which is a (111) surface extending downward from the edge of the top surface of the mesa portion, and extends downward from the first surface to substantially the same height as the lower surface of the active layer, and the active layer Embedded on the opposite sides of the active layer and having a second surface inclined at an angle between the angle of the side surface of the active layer and the angle perpendicular to the upper surface of the first cladding layer, and containing a second conductivity type impurity Forming a layer in contact with both side surfaces of the mesa portion;
A current block including a first conductivity type impurity having a (111) plane in contact with the first surface and the second surface of the buried layer and extending upward from an edge of the top surface of the mesa portion Forming a layer;
Forming an upper layer of the second cladding layer containing a second conductivity type impurity on the lower layer of the second cladding layer and the current blocking layer after removing the mask. A method for manufacturing a semiconductor laser.
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